CN115811604A - 投影系统、车辆及投影方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种投影系统、车辆和投影方法。本申请提出的投影系统包括光源模块，用于产生并发出照明光束；图像生成模块，包括设置在所述光源模块的出光侧并具有多个像元区域的成像单元，其中多个像元区域设置用于接收所述光源模块发出的照明光束并分别生成带有图像信息的成像光束；以及偏转模块，设置在所述图像生成模块的出光侧，并设置用于将由所述成像单元的多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束投射到不同的投射距离。本申请提出的投影系统能够在空间中的不同投影方向和/或不同投影距离投射出多个画面，具有系统结构简单、易于操作、体积小、功耗小等优点。

Description

投影系统、车辆及投影方法

技术领域

本申请涉及投影技术领域，尤其涉及一种投影系统、车辆及投影方法。

背景技术

投影系统为将物体照明后成像于投影屏上的光学系统，近年来，根据光学原理搭建的传统的投影系统与新兴的DLP(Digital Light Processing)、LCD(Liquid CrystalDisplay)及LCOS(Liguid Crystal on Silico)技术相结合，构造出各方面性能更加优越的数字投影系统，极大的推动了投影系统的发展。

随着投影技术的快速发展，投影系统的应用领域也越来越广泛，不仅有应用在教育领域的教育投影机，应用于生活领域的家庭影院投影机及应用于大型场所和市场工程的专业投影机，投影系统更是被广泛应用于汽车行业，例如，投影系统可能需要对路况信息、自动驾驶系统信息、影音娱乐、视频会议等进行投影来完成必要互动或者提升驾驶体验，而这些需求往往还需要被同时满足，因此人们对汽车领域投影系统的要求也变的越来越高。

将基于DLP的投影系统应用在汽车领域，正是看中其具备体积小损耗少等优点，因此近年来DLP-PGU(Digital Light Projector-Picture Generation Unit)投影系统在汽车领域得到了广泛的推广和使用。目前的DLP-PGU投影系统通常包括一个成像单元、一个镜头，投影出一个投影画面，即构成一个单投影系统。但如果要同时需要多个投影画面，就需使用多套单投影系统，即需要同时使用多套DLP-PGU投影系统。

多套单投影系统的使用从系统结构方面考虑，会使得投影系统的体积庞大，系统庞杂，重量变重，而单投影系统所具备的体积小，损耗少的优势不再突出，从经济方面考虑，如果成倍的增加了使用的元件，则成本也成倍增长。

综上，目前在汽车领域的投影系统的设计中，迫切需要一款能同时投射出多个投影画面的投影系统，在设计时还需要综合考虑结构简单、体积小、功耗小等因素。

发明内容

本申请的目的在于提出一种投影系统、车辆及投影方法，其能够同时投射出多个具有不同投影方向和/或投影距离的画面，并具有系统结构简单、易于操作、体积小、功耗小等优点。

根据本申请的第一方面，提出一种投影系统，包括：

光源模块，所述光源模块用于产生并发出照明光束；

图像生成模块，所述图像生成模块包括设置在所述光源模块的出光侧并具有多个像元区域的成像单元，其中所述多个像元区域设置用于接收所述光源模块发出的照明光束并分别生成带有图像信息的成像光束；和

偏转模块，所述偏转模块设置在所述图像生成模块的出光侧，用于将由所述成像单元的所述多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束投射到不同的投射距离。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述偏转模块包括至少两个反射镜。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述图像生成模块的所述多个像元区域分别配有对应的反射镜。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述投影系统还包括投影镜头，所述投影镜头设置在所述图像生成模块的成像单元的出光侧，用于将由所述成像单元生成的带有图像信息的成像光束投射到所述偏转模块上。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述偏转模块包括至少一个平面反射镜和/或至少一个自由曲面反射镜。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述偏转模块包括一个平面反射镜和一个自由曲面反射镜。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述平面反射镜的镜轴和所述自由曲面反射镜的镜轴之间具有夹角，且所述夹角在0至45度范围内。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述投影镜头和平面反射镜构成第一投影子系统，并且所述投影镜头和自由曲面反射镜构成第二投影子系统，其中第一投影子系统和第二投影子系统具有不同的投影方向和/或成像距离。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，通过所述投影镜头和平面反射镜构成的第一投影子系统的成像光束与通过所述投影镜头和自由曲面反射镜构成的第二投影子系统的成像光束之间的光程差H4满足|H4|≤80mm。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述投影镜头和平面反射镜构成的第一投影子系统的焦距F1与所述投影镜头和自由曲面反射镜构成的第二投影子系统的的焦距F2满足0.5≤|F1/F2|≤1.3。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述偏转模块包括一个平面反射镜和两个自由曲面反射镜。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述平面反射镜的镜轴和一个自由曲面反射镜的镜轴之间具有夹角θ₁，所述平面反射镜的镜轴和另一个自由曲面反射镜的镜轴之间具有夹角θ₂，其中所述夹角θ₁和所述夹角θ₂不同，且均在0至45度范围内。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述偏转模块包括至少两个自由曲面反射镜。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述偏转模块的所有反射镜构造为一体的。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述成像单元包括DMD、LCOS、MEMS中的一种或多种的组合。

根据本申请的第一方面的一些实施方式，所述投影镜头包括镜头，其中所述镜头构造成非球面镜片、球面镜和自由曲面透镜中的一种或多种的组合。。

根据本申请的第二方面，提出一种车辆，其包括所述的投影系统。

根据本申请的第三方面，提出一种使用所述投影系统实现的投影方法，如下步骤：

控制所述光源模块产生并发出照明光束；

引导所述光源模块发出的照明光束经过所述图像生成模块的成像单元的多个像元区域，从而使所述多个像元区域分别生成带有图像信息的成像光束；

引导所述带有图像信息的成像光束经过偏转模块，从而将所述多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束投射到不同的投射距离。

根据本申请的第三方面的一些实施方式，所述由多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束通过所述偏转模块的反射镜反射到不同的投射方向。

根据本申请的第三方面的一些实施方式，所述由多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束通过偏转模块的至少一个自由曲面反射镜进行反射。

根据本申请的第三方面的一些实施方式，所述分别通过一个对应的反射镜反射到不同的投射方向的成像光束在不同的像面上成像。

根据本申请的第三方面的一些实施方式，通过选择所述偏转模块的反射镜的面型，调整成像光束的投影距离。

根据本申请的第三方面的一些实施方式，通过选择所述偏转模块的反射镜的面型，调整成像光束的光程差。

根据本申请的第三方面的一些实施方式，通过改变偏转模块的反射镜的镜轴的夹角，调整成像光束的像面之间的间距。

本申请提出的投影系统，通过对一个现有的单投影系统增加偏转模块，该偏转模块可以根据实际的应用需要设计为多个反射镜的组合，实现在空间中的不同位置投影出多个图像的功能。而在现有技术中，该功能需要同时使用多个单投影系统才能实现。

与现有技术相比，本申请的提出的投影系统，可以同时在空间中的不同平面投影出多个图像，达到了同时使用多套单投影系统的效果，具有结构简单，体积小、功耗小的优点。同时在由单投影系统向多投影系统改造时，仅需增加偏转模块的改造方案，也使改造变的更加方便和简易。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本申请的技术方案作进一步的详细描述。在附图中，除非另有说明，相同的附图标记用于表示相同的部件。其中：本申请

图1是本申请提出的投影系统的一些实施例的结构示意图；

图2是本申请提出的投影系统的一些实施例的光路示意图；

图3是图2所示的投影系统的成像单元的示意图；

图4是图2所示的投影系统的投影画面的示意图；

图5是本申请提出的投影系统的另一些实施例的光路示意图；

图6是图5所示的投影系统的成像单元的示意图；

图7是图5所示的投影系统的投影画面的示意图；

图8是本申请提出的投影系统的其他一些实施例的光路示意图；

图9是图8所示的投影系统的成像单元的示意图；

图10是图8所示的投影系统的投影画面的示意图。

附图标记列表：

1.光源模块 4.投影镜头

11.红色光源 41棱镜

12.绿色光源 42镜头

13.蓝色光源 5.偏转模块

211.红光准直透镜 51.平面反射镜

212.绿光准直透镜 52.自由曲面反射镜

213.蓝光准直透镜 53.第一自由曲面反射镜

221.红光滤色片 54.第二自由曲面反射镜

222.绿光滤色片 6.成像屏

223.蓝光滤色片 61.第一成像屏

23.矫正透镜 62.第二成像屏

24.复眼 P1.第一像元区域

25.中继透镜 P2.第二像元区域

26.反光镜 P3.第三像元区域

27.直角棱镜 S1.第一像面

3.图像生成模块 S2.第二像面

31.成像单元 S3.第三像面

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请实施例的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅涉及本申请的一部分实施形式，而非全部的实施形式。基于本申请公开的实施例，本领域普通技术人员在无需做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变换措辞，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、产品或设备并不局限于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有具体列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本领域技术人员应理解的是，在本申请说明书和权利要求书的描述当中，某些术语所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系而言的，其仅仅是为了便于描述本申请和简化描述，而非表示或暗示所指的装置、机构、结构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本申请的限制。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施形式中。在说明书中的各个位置出现该措辞并不一定均是指相同的实施例，也不是与其他实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其他实施例相结合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本申请提出的投影系统的一些实施例的结构示意图，所示投影系统基本上包括沿着光路顺序布置的光源模块1、图像生成模块3、投影镜头4和偏转模块5。其中，光源模块1用于产生并发出照明光束。图像生成模块3设置在所述光源模块1的出光侧，并包括具有多个像元区域的成像单元31。成像单元31的多个像元区域设置用于接收光源模块1发出的照明光束，并分别生成带有图像信息的成像光束。投影镜头4设置用于放大图像生成模块3的多个像元区域生成的成像光束并将其引导至偏转模块5，还可矫正系统色差，提高系统解像力。偏转模块5设置在投影镜头4的出光侧，用于将由所述成像单元31的所述多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束偏转到不同的投射方向和/或投射到不同的投射距离，并分别在各自的像面上清晰地成像。

在本申请中，偏转到不同的投射方向和/或投射到不同的投射距离是指，多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束可以偏转到不同的投射方向，但仍具有相同的投射距离；或者多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束可以投射到不同的投射距离，但仍具有相同的投射方向；再或者，多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束可以投射到不同的投射距离，并具有不同的投射方向。在此，投射距离也可以理解为成像距离。

需要指出，图1仅仅给出了光源模块的示意性结构，其组成和结构不限于这里给出的实施例，而是可以包括任何实现光源功能的零部件，比如矩阵式LED等等。在光源模块1构造为矩阵式LED的情况下，光源模块1可以省略其他滤光片、准直镜等复杂的光学元器件，并可以与图像生成模块3构成为一个部件。

光源模块1主要包括用于产生并发出照明光束的光源。例如，光源模块1的光源可以采用高亮度LED光源。可选地，光源模块1的光源还可以是其他类型的光源装置，比如疝气灯、汞高压灯等。优选地，光源模块1的光源可以是单色LED光源，也就是说，每一个LED光源产生并向外投射出单色光。

在本申请的一些实施例中，除了光源本身，光源模块1还可以包括调光组件和/或光线折转组件。

调光组件可以设置在光源的出光侧，用于对入射的光束进行准直。在一些实施例中，调光组件例如可以包括红光准直透镜211、绿光准直透镜212和蓝光准直透镜213，其分别颜色对应地设置于红色光源11、绿色光源12和蓝色光源13的出光侧。

调光组件可以进一步包括红光滤色片221、绿光滤色片222和蓝光滤色片223，其分别颜色对应地设置于红光准直透镜211、绿光准直透镜212和蓝光准直透镜213的出光侧，用于对入射的光束进行滤色和/或合束。其中，红光滤色片221是反红透绿透蓝滤色片，绿光滤色片222是反绿透蓝滤色片，而蓝光滤色片223是反蓝滤色片。

进一步地，该调光组件还可以包括矫正透镜23和/或复眼24。例如，矫正透镜23可以设置在绿光滤色片222的出光侧，用于对入射的照明光束进行矫正。复眼24可以设置在所述矫正透镜23的出光侧，用于对入射的照明光束进行匀化整形。调光组件用于对入射的照明光束进行光学调整。经过调整后，光源会变得更加稳定，能够提升整体光源模块1的稳定性。

光线折转组件可以设置在所述调光组件的出光侧，用于将经过光学调整的照明光束引导至后面的光学元器件，例如引导至图像生成模块3。光线折转组件例如可以沿着光路布置在调光组件的复眼24之后。在一些实施例中，光线折转组件可以包括沿着光路依次布置的中继透镜25、反光镜26和直角棱镜27。通过使用光线折转组件，经过光学调整的照明光束，例如在离开光线折转组件的直角棱镜27后，被引导至图像生成模块3进行下一步处理。

当然，也可以根据需要不同地选择、组合和布置调光组件和/或光线折转组件中的光学元器件，只要其能够达到相应的光学作用和目的。

图像生成模块3包括用于生成带有图像信息的成像光束的成像组件。所述成像组件可以包括具有一个或者多个像元区域的成像单元31。成像单元31的一个或者多个像元区域可以接收照明光束，并分别生成的带有图像信息的成像光束。图像生成模块3还可以包括芯片控制单元，用于控制成像组件工作。

所述成像单元31可以考虑选用DMD、LCD、LCOS中的一种。优选地，成像单元31构造成DMD芯片。DMD芯片可以是集成的微型机电系统。一片DMD由许多个微小的反射镜片按行列紧密排列在一起贴在一块硅晶片的电子节点上形成，每一个微小的反射镜片都对应着生成图像的一个像素。DMD芯片的构造通常包括电子电路、机械和光学三个部分。其中，电子电路部分为控制电路，机械部分为控制镜片转动的结构部分，光学部分便是镜片部分。当DMD芯片正常工作的时候，光束经过DMD芯片，DMD表面布满的微小的可转动镜片便会通过转动来反射光束，每个镜片的旋转都是由电路控制的。DMD芯片可以是纯半导体和金属材料构成，加上特殊的电子机械设计，稳固性极强。用于投射的图像信息加载在DMD芯片上。穿过光线调整机构的光束经由DMD芯片反射的同时会携带图像信息。

备选地，成像单元31也可以构造成一种图案模块，其集成有多个图案区域。所述图案模块例如能够转动或移动，以使来自光源模块1的照明光束照射在不同的图案区域上携带相应图案信息。这里不同的图案区域也可以理解为像元区域。当然，其他合适的图像生成装置都可以应用于本申请提出的投影系统，而不局限于前述形式。

在另一些备选的实施例中，也可以不包括图像生成模块3，而光源模块1不但提供照明光线，同时实现生成图像的功能。例如，光源模块1可以为矩阵式LED灯等等，通过合适布置LED灯，光源模块1可以直接发出具有图像的光线。在此情况下，光源模块1和图像生成模块3实际上是一个部件。

本申请提出的投影系统还可以包括投影镜头4，其可以设置在图像生成模块3的出光侧。投影镜头4可以放大图像生成模块3的多个像元区域生成的成像光束，并将其引导至偏转模块5，还可矫正系统色差，提高系统解像力等。尤其是，投影镜头4设置在图像生成模块3和偏转模块5之间，偏转模块5设置在投影镜头4的出光侧。由此，成像单元31的一个或者多个像元区域生成的带有图像信息的成像光束可以分别通过投影镜头4投射到偏转模块5的对应的反射镜上。

投影镜头4可以构造为一种透镜组。例如，投影镜头4可以包括镜头42。镜头42可以构造成非球面镜片、球面镜和自由曲面透镜中的一种或多种组合。非球面镜片的特点是从镜片中心到周边曲率是连续变化的。与从镜片中心到周边有恒定曲率的球面镜片不同，非球面镜片具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。因此优选非球面镜片，其能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而提升所述投影镜头4的成像质量。应注意的是，投影镜头4从种类上也不限于球面镜和非球面镜片的组合，可以采用不同的透镜组合方式以满足实际的需求。

投影镜头4还可以包括棱镜41，其例如设置在图像生成模块3和镜头42之间，用于调整和引导成像光束。参见附图2、5和8，棱镜41可以设置在图像生成模块3的出光侧，镜头42可以设置在所述棱镜41的出光侧。图像生成模块3生成的带有图像信息的成像光束射入棱镜41，棱镜41将成像光束引导至镜头42，并通过镜头42继续投射到所述偏转模块5上。但需要指出的是，本实施例不限于仅使用棱镜41，其他能够起到相同效果的光学元件都可以被采用。

本申请提出的投影系统还包括偏转模块5，所述偏转模块5沿着光路方向设置在所述投影镜头4的下游。通过偏转模块5，所述成像单元31的一个或者多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束能够被偏转到不同的投射方向和/或投射到不同的投射距离，由此可以使这些带有图像信息的成像光束分别在不同的投影方向和/或不同的成像距离上清晰地成像。

在一些实施例中，偏转模块5可以包括至少两个反射镜，并且其中至少一个反射镜是自由曲面反射镜。例如，偏转模块5可以包括平面反射镜和自由曲面反射镜的组合，即包括至少一个平面反射镜和至少一个自由曲面反射镜。可选地，偏转模块5也可以只包括一个或者多个自由曲面反射镜，即不包括平面反射镜，以适应不同的应用场景的成像需要。偏转模块5的多个反射镜沿着光路方向设置在图像生成模块3的下游，尤其是设置在投影镜头4的后面，分别用于接收带有图像信息的成像光束，因此反射面之间不重叠或不遮挡。

在另一些实施例中，偏转模块5可以只包括一个自由曲面反射镜，其中这个自由曲面反射镜可以具有不同的反射区域。不同的反射区域可以将图像光线反射到不同的方向，并可以具有用于多个投影区域的不同焦距。

在一些实施例中，成像单元31的像元区域与偏转模块的反射镜在光路上可以具有固定的对应关系。例如，成像单元31的像元区域与偏转模块的反射镜可以在光路上一一对应，即成像单元31的每个像元区域生成的带有图像信息的成像光束分别固定地入射到对应的反射镜上，由此成像单元31的每个像元区域生成的带有图像信息的成像光束可以在偏转模块中分别由对应的反射镜单独处理，实现各个成像光束特有的投影方向和/或投影距离，并在三维空间中处于不同位置的像面上清晰成像。

可选地，成像单元31的多个像元区域在光路上可以对应同一个反射镜。也就是说，成像单元31的多个像元区域可以分成多个组，每组像元区域生成的带有图像信息的多个成像光束分别固定地入射到偏转模块的同一个反射镜，由此可以简单地将每组像元区域的带有图像信息的多个成像光束投射到相同投影方向和/或投影距离，实现投影图像的简单叠加或者组合等多变的投影效果。

备选地，也可以考虑，成像单元31的一个像元区域在光路上对应偏转模块的多个反射镜。也就是说，成像单元31的一个像元区域生成的带有图像信息的成像光束可以有选择地入射到偏转模块的一个或者多个反射镜上。具体地，成像单元31的一个像元区域生成的带有图像信息的成像光束可以入射到偏转模块的多个可用反射镜之一上，或者在偏转模块的多个可用反射镜之间切换，由此能够根据需要迅速改变特定投影图像的画面内容、投影方向和/或投影距离，简单和快速地实现图像变换，满足多样灵活的投影需求。出于同样目的，也可以考虑，成像单元31的一个或者多个像元区域生成的带有图像信息的成像光束能够同时投射到偏转模块的多个可用反射镜上，从而简单、快速和灵活地实现图像组合和叠加等效果。

本申请提出的投影系统投射出的多个画面可以在三维空间中位于不同距离、不同方向和不同角度的平面内。根据偏转模块的各个反射镜的安置位置和各个反射镜的彼此方位关系，各个反射镜形成的像面往往可能不在同一个平面内，而是在空间中的各种相对位置都有可能，例如可能形成平行的像面，也可能形成具有一定夹角的像面。这些成像特性可以根据选择的反射镜面型、反射镜彼此之间以及与投影镜头之间的方位关系来调整，在后面还将详细描述具体调整措施。

在图1所示的实施例中，附图标记6、61、62表示成像屏，其可以是作为屏幕的物理实体，也可以是指几何光学上的成像平面。经偏转模块5的每个反射镜反射后而沿不同方向投射的成像光束可以分别在对应的成像屏或者说像面上成像。在此作为示例，成像屏6包括第一成像屏61和第二成像屏62，经偏转模块5射出的成像光束可以分别在第一成像屏61和第二成像屏62上成像。显然，不同的成像屏或者说像面可以具有不同的投影距离和/或投影方向，尤其是成像屏或者说像面彼此之间可以具有不同的相对位置。

图2是本申请提出的投影系统的一些实施例的光路示意图。为了表达简单和清晰，该投影系统相对于图1的结构图省略了光源模块等光学元器件。在示出的实施例中，投影镜头4设置在图像生成模块3的出光侧，并例如包括棱镜41和镜头42。图像生成模块3的成像单元31的一个或者多个像元区域分别生成带有图像信息的成像光束，其首先射入棱镜41，然后棱镜41将成像光束引导至镜头42，并通过镜头42继续投射到所述偏转模块5上。

成像单元31可以包括一个或者多个像元区域，每个像元区域可以包含或者生成不同的图像信息。从光源模块1发射的照明光束在经过成像单元31的像元区域后能够携带对应的图像信息。换句话说，来自光源模块1的照明光束在经过成像单元31后转变为带有图像信息的成像光束。

在图2所示的实施例中，成像单元31作为示例包括两个像元区域，即第一像元区域P1和第二像元区域P2(参见图3)。对应地，偏转模块5包括一个平面反射镜51和一个自由曲面反射镜52。成像单元31的第一像元区域P1对应于偏转模块5的平面反射镜51，而成像单元31的第二像元区域P2对应于偏转模块5的自由曲面反射镜52。

在另一些备选的实施例中，平面反射镜51和自由曲面反射镜52可构造成一体结构。例如，平面反射镜51和自由曲面反射镜52可以构造为同一个反射镜上不同的区域，即平面区域和自由曲面区域。在此，平面区域和自由曲面区域的相对位置可以参照本申请在其他实施例中关于平面反射镜51和自由曲面反射镜52的相对关系进行设置，或者也可以根据需要进行位置调整。

从光源模块1投射出的照明光束经过第一像元区域P1形成带有第一像元区域P1的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射平面反射镜51，经平面反射镜51反射后在像面S1上成像。从光源模块1投射出的照明光束经过第二像元区域P2形成带有第二像元区域P2的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射自由曲面反射镜52，经自由曲面反射镜52反射后在像面S2上成像。

本申请提出的投影系统能够在不同的投影距离和/或投影方向上直接投射两个或者更多个投影画面，简单地实现投射多个投影画面的功能以及复杂多样的投影效果。与传统单个投影系统只能投射单个图像相比，不但节省现有技术中为投射多个画面所需的额外设备购置成本，费用更低，而且相比使用多套传统单画面投影系统而言，体积更小，安装和使用更方便，投影画面更丰富多样。

在此实施例中，平面反射镜51的镜轴和自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角为θ。平面反射镜的镜轴是指在平面反射镜所在平面内的一条轴线，该轴线经过入射光束(例如入射到平面反射镜上的投影光束)的光轴与平面反射镜的交点。在附图中，平面反射镜的镜轴例如表现为平面反射镜所在平面与附图纸面的交线，即例如在图2中，平面反射镜的镜轴与代表平面反射镜本身的线段相重合。

自由曲面反射镜的镜轴是指在自由曲面反射镜的一个切面内的一条轴线，该切面在入射光束(例如入射到自由曲面反射镜上的投影光束)的光轴与自由曲面反射镜的交点处与自由曲面反射镜表面相切，并且镜轴/轴线在切面内经过所述交点(切点)。在附图中，自由曲面反射镜的镜轴表现为上述切面与附图纸面的交线，该交线同样经过入射光束的光轴与自由曲面反射镜的交点。

因此，两个平面反射镜的镜轴之间的夹角也就是两个平面反射镜分别所在平面之间的夹角。两个自由曲面反射镜的镜轴之间的夹角也就是两个自由曲面反射镜各自的上述切面之间的夹角，这些切面分别在入射到自由曲面反射镜上的投影光束的光轴与自由曲面反射镜的交点处与对应的自由曲面反射镜表面相切。类似地，平面反射镜的镜轴与自由曲面反射镜的镜轴之间的夹角也就是平面反射镜所在平面与自由曲面反射镜的切面之间的夹角，该切面在入射到自由曲面反射镜上的投影光束的光轴与自由曲面反射镜的交点处与自由曲面反射镜表面相切。

在一些实施例中，偏转模块的两个反射镜的镜轴之间的夹角θ在0度和45度之间。优选地，夹角θ在0度和30度之间。满足夹角θ的上述范围有利于调整成像画幅之间的距离。

在附图中，出于简化目的，忽略了偏转模块的不同反射镜到投影镜头4或者说镜头42的距离可能存在的偏差。因此，投影镜头4或者说镜头42在光轴上至偏转模块的反射镜的距离为H1。平面反射镜51在光轴上到第一像面S1的距离为H2。自由曲面反射镜52在光轴上到第二像面S2的距离为H3。

因此，从上述几何光路图可知，投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离为H1+H2，其中平面反射镜51只改变光路转折方向，不改变光程。投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合成像投影距离为H1+H3，其中自由曲面反射镜52既改变光路转折方向，也改变光程。

自由曲面反射镜52改变的光程差H4为投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离H1+H2与投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合成像投影距离H1+H3之间的差值，即H4＝(H1+H3)-(H1+H2)＝H3-H2。优选光程差|H4|≤50mm，有利于获得优质和清晰的成像效果。由于投影系统的多个像面可能在空间中处于不同相对位置关系的平面中，因此在图2中光程差H4仅为一种简化的示意性表示。

图3是图2所示的投影系统的成像单元31的示意图。在此，成像单元31具有两个像元区域，分别为第一像元区域P1和第二像元区域P2。例如，第一像元区域P1的图像信息为显示斜条纹图案的长方形，具有长度a和宽度b。第二像元区域P2的图像信息为显示黑色点阵图案的长方形。第一像元区域P1和第二像元区域P2之间的间距为H5。

显然，可以根据投影需求构造成像单元31的像元区域的其他具体结构形式和数量，而不限于在此举例说明的第一像元区域P1和第二像元区域P2。尤其是，成像单元31可以包括一个或者多个像元区域，每个像元区域可以具有相同或者不同的形状和/或大小，并能够生成各自的带有图像信息的成像光束。

图4是图2所示的投影系统的投影画面的示意图，其中像面S1的图像对应成像单元31的第一像元区域P1的图像信息，像面S2的图像对应成像单元31的第二像元区域P2的图像信息。由于第一像面S1和第二像面S2在三维空间中可能处于具有不同相对位置关系的平面中，为了方便比较和说明，在图4中将第一像面S1和第二像面S2简化地并排表示在纸面上。

在此，光源模块1发出的照明光束入射到图像生成模块3的成像单元31，由成像单元31的第一像元区域P1生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到平面反射镜51的反射面上，经平面反射镜51反射后在第一像面S1上形成清晰图像。由成像单元31的第二像元区域P2生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到自由曲面反射镜52的反射面上，经自由曲面反射镜52反射后在第二像面S2上形成清晰图像。同样，由于第一像面S1和第二像面S2在三维空间中可能处于具有不同相对位置关系的平面中，在图4中，第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6仅为示意性表示。

因此，本申请提出的投影系统事实上包括多个可以分别投影成像的投影子系统。在图2至4所示的实施例中，由投影镜头4和平面反射镜51构成第一投影子系统，其对应投射成像单元31的第一像元区域P1的图像信息。由投影镜头4和自由曲面反射镜52构成第二投影子系统，其对应投射成像单元31的第二像元区域P2的图像信息。其中，各个投影子系统共用其他光学元器件，例如光源模块和投影镜头等。第一投影子系统和第二投影子系统具有不同的投影方向和/或成像距离。

由此可知，本申请提出的投影系统可以投射具有不同投影距离和/或投影方向的多个图像。当实际使用中需要多个投影图像时，本申请提出的投影系统能够直接满足需求，无需额外增添新设备，同时具有结构紧凑、体积小和功耗小等优点。

每个投影子系统可以尤其共用一个投影镜头4并具有不同的焦距。例如，第一投影子系统包括投影镜头4和平面反射镜51的组合，其焦距为F1。也就是说，在通过投影镜头4射出后，第一像元区域P1生成的带有图像信息的成像光束通过所述平面反射镜51反射后在对应的像面S1上形成清晰图像，因此第一投影子系统具有焦距F1。第二投影子系统包括投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合，其焦距为F2。也就是说，在通过投影镜头4射出后，第二像元区域P2生成的带有图像信息的成像光束通过所述自由曲面反射镜52反射后在对应的像面S2上形成清晰图像，因此第二投影子系统具有焦距F2。

在一些实施例中，第一投影子系统的焦距F1和第二投影子系统的焦距F2满足0.5≤|F1/F2|≤1.3，由此所述第一投影子系统和所述第二投影子系统均能生成清晰的像面。优选地，第一投影子系统的焦距F1和所述第二投影子系统的焦距F2满足0.6≤|F1/F2|≤1.2。

在图2至4所示的实施例中，特别优选，所述投影镜头4和平面反射镜51构成的第一投影子系统的焦距F1与所述投影镜头4和自由曲面反射镜52构成的第二投影子系统的焦距F2满足1≤|F1/F2|≤1.2，由此能获得整体上最佳的成像质量。

如图3所示，第一像元区域P1的图像信息为显示斜条纹图案的长方形，具有长度a和宽度b。对应地，如图4所示，像面S1的图像对应成像单元31的第一像元区域P1的图像信息，并具有长度A和宽度B。因此，可计算得出投影镜头4的放大倍率β＝A/a＝B/b。

例如在通过投影镜头4射出后，第一像元区域P1生成的带有图像信息的成像光束通过所述平面反射镜51反射后在光轴上的投影距离与第二像元区域P2生成的带有图像信息的成像光束通过所述自由曲面反射镜52反射后在光轴上的投影距离之间存在光程差H4。因此可以通过改变投影距离来调整这个光程差H4，例如通过调整自由曲面反射镜的面型可以改变投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合成像投影距离H1+H3，进而实现改变光程差H4。

在一些实施例中，所述投影镜头4和平面反射镜51构成的第一投影子系统的成像光束与所述投影镜头4和自由曲面反射镜52构成的第二投影子系统的成像光束之间的光程差H4满足|H4|≤80mm，这有利于各个投影子系统生成清晰的图像。优选光程差H4满足|H4|≤60mm，各个像面的成像效果更好。特别优选，光程差H4满足|H4|≤50mm，各个像面的成像效果得到进一步提升。

如果平面反射镜51与自由曲面反射镜52倾斜角度一致，即平面反射镜51的镜轴与自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角θ＝0，可以得出第一像元区域P1和第二像元区域P2之间的间距H5与第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6存在关系H6＝H5*β。

如果平面反射镜51与自由曲面反射镜52倾斜角度不一致，即当平面反射镜51的镜轴与自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角θ>0，则可以得出H6＝H5*β+H3*tanθ。因此，通过调整平面反射镜51的镜轴与自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角θ，可以改变第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6。

在一些实施例中，偏转模块的反射镜可以构造成彼此独立的光学元器件，其可以单独地制造和组装。备选地，偏转模块的反射镜也可以构造成一体结构。尤其是，偏转模块的各个反射镜可以相对彼此固定在能够形成清晰图像的角度上，这有利于简化投影系统的结构并提高投影系统的可靠性和稳定性。

本申请提出的投影系统能够灵活实现多图像投影，尤其是可以通过改变反射镜面型来调整对应图像的投影距离和/或投影方向，进而实现投射多个投影画面的功能以及复杂多样的投影效果。

由于相似的工作过程和原理，前面结合图2至4所示的实施例做出的定义、说明以及描述的技术效果同样适用于后面结合其他附图所描述的实施例，除非有特别说明的例外情况。

图5是本申请提出的投影系统的另一些实施例的光路示意图。同样，为了表达简单和清晰，该投影系统相对于图1的结构图省略了光源模块等光学元器件。在示出的实施例中，投影镜头4设置在图像生成模块3的出光侧。图像生成模块3的成像单元31的一个或者多个像元区域分别生成带有图像信息的成像光束，其可以通过投影镜头4投射到所述偏转模块5上。

在图5所示的实施例中，成像单元31作为示例包括第一像元区域P1和第二像元区域P2(参见图6)，并且偏转模块5包括一个平面反射镜51和一个自由曲面反射镜52。然而，与图2至4所示的实施例的区别在于，改变了平面反射镜51和自由曲面反射镜52与第一像元区域P1和第二像元区域P2的光路对应关系。具体而言，在图5所示的实施例中，成像单元31的第一像元区域P1对应于偏转模块5的自由曲面反射镜52，而成像单元31的第二像元区域P2对应于平面反射镜51。

具体地，从光源模块1投射出的照明光束经过第一像元区域P1形成带有第一像元区域P1的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射自由曲面反射镜52，经自由曲面反射镜52反射后在像面S1上成像。从光源模块1投射出的照明光束经过第二像元区域P2形成带有第二像元区域P2的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射平面反射镜51，经平面反射镜51反射后在像面S2上成像。

如图5所示，平面反射镜51的镜轴和自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角为θ。投影镜头4或者说镜头42在光轴上至偏转模块的反射镜的距离为H1，在此出于简化目的，忽略了不同反射镜到投影镜头4或者说镜头42的距离可能存在的偏差。自由曲面反射镜52在光轴上到第一像面S1的距离为H2，平面反射镜51在光轴上到第二像面S2的距离为H3。投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合成像投影距离为H1+H2，其中自由曲面反射镜52既改变光路转折方向，也改变光程。投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离为H1+H3，其中平面反射镜51只改变光路转折方向，不改变光程。

自由曲面反射镜52改变的光程差H4为投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合成像投影距离H1+H2与投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离H1+H3之间的差值，即H4＝(H1+H3)-(H1+H2)＝H3-H2。在此实施例中，优选光程差|H4|≤50mm，有利于获得优质和清晰的成像效果。同样，由于投影系统的多个像面可能在空间中处于不同相对位置关系的平面中，因此在图5中光程差H4仅为一种简化的示意性表示。

图6是图5所示的投影系统的成像单元的示意图。与图3示出的成像单元类似，在图6中，图像生成模块3的成像单元31具有两个像元区域，分别为第一像元区域P1和第二像元区域P2。例如，第一像元区域P1的图像信息为显示斜条纹图案的长方形。第二像元区域P2的图像信息为显示黑色点阵图案的长方形，具有长度a和宽度b。第一像元区域P1和第二像元区域P2之间的间距为H5。

图7是图5所示的投影系统的投影画面的示意图，其中像面S1的图像对应成像单元31的第一像元区域P1的图像信息，像面S2的图像对应成像单元31的第二像元区域P2的图像信息，并具有长度A和宽度B。与图4类似，由于第一像面S1和第二像面S2在三维空间中可能处于具有不同相对位置关系的平面中，为了方便比较和说明，在图7中将第一像面S1和第二像面S2简化地并排表示在同一平面上，在此简化地并排表示在附图纸面上。

在此，光源模块1发出的照明光束入射到图像生成模块3的成像单元31，由成像单元31的第一像元区域P1生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到自由曲面反射镜52的反射面上，经自由曲面反射镜52反射后在第一像面S1上形成清晰图像。由成像单元31的第二像元区域P2生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到平面反射镜51的反射面上，经平面反射镜51反射后在第二像面S2上形成清晰图像。同样，由于第一像面S1和第二像面S2在三维空间中可能处于具有不同相对位置关系的平面中，在图7中，第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6仅为示意性表示。

在图5至7所示的实施例中，由投影镜头4和平面反射镜51构成第一投影子系统，其对应投射成像单元31的第二像元区域P2的图像信息。由投影镜头4和自由曲面反射镜52构成第二投影子系统，其对应投射成像单元31的第一像元区域P1的图像信息。其中，各个投影子系统共用其他光学元器件，例如光源模块和投影镜头等。

在此，第一投影子系统包括投影镜头4和平面反射镜51的组合，其焦距为F1。也就是说，在通过投影镜头4射出后，第二像元区域P2生成的带有图像信息的成像光束通过所述平面反射镜51反射后在对应的像面S2上形成清晰图像，因此第一投影子系统具有焦距F1。第二投影子系统包括投影镜头4和自由曲面反射镜52的组合，其焦距为F2。也就是说，在通过投影镜头4射出后，第一像元区域P1生成的带有图像信息的成像光束通过所述自由曲面反射镜52反射后在对应的像面S1上形成清晰图像，因此第二投影子系统具有焦距F2。

在图5至7所示的实施例中，优选的是，第一投影子系统的焦距F1和第二投影子系统的焦距F2满足0.6≤|F1/F2|≤1，由此有利于两个投影子系统均能生成清晰的成像画面，并获得整体上最佳的成像质量。

与前面结合图2至4说明的实施例相比，在图5至7所示的实施例中，第一投影子系统和第二投影子系统不但改变了与成像单元31的第一像元区域P1和第二像元区域P2之间的光路对应关系，而且调整了第一投影子系统的焦距F1和第二投影子系统的焦距F2之间的比值。例如，通过改变偏转模块5的反射镜之间的相对位置关系和/或改变反射镜与投影镜头4或者成像单元31的相对位置关系等措施可以实现调整第一投影子系统的焦距F1和第二投影子系统的焦距F2之间的比值。由此，本申请提出的投影系统能够实现灵活多样的投影效果，尤其是涉及投影方向、投影距离和不同像面的相对方位关系等等，满足不同应用环境下的投影需求，因此可以用于广泛的应用场合。

如图6所示，第二像元区域P2的图像信息为显示黑色点阵图案的长方形，具有长度a和宽度b。对应地，如图7所示，像面S2的图像对应成像单元31的第二像元区域P2的图像信息，并具有长度A和宽度B。因此，可计算得出投影镜头4的放大倍率β＝A/a＝B/b。

同样，如果平面反射镜51与自由曲面反射镜52倾斜角度一致，即平面反射镜51的镜轴与自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角θ＝0，可以得出第一像元区域P1和第二像元区域P2之间的间距H5与第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6存在关系H6＝H5*β。

如果平面反射镜51与自由曲面反射镜52倾斜角度不一致，即当平面反射镜51的镜轴与自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角θ>0，则可以得出H6＝H5*β+H3*tanθ。因此，通过调整平面反射镜51的镜轴与自由曲面反射镜52的镜轴之间的夹角θ，可以改变第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6。

图8是本申请提出的投影系统的其他一些实施例的光路示意图。同样，为了表达简单和清晰，该投影系统相对于图1的结构图省略了光源模块等光学元器件。在示出的实施例中，图像生成模块3的成像单元31的多个像元区域分别生成带有图像信息的成像光束，其可以通过投影镜头4投射到所述偏转模块5上。

与前述实施例的区别在于，成像单元31作为示例包括三个像元区域，即第一像元区域P1、第二像元区域P2和第三像元区域P3(参见图9)，并且偏转模块5包括三个反射镜，即一个平面反射镜51、一个第一自由曲面反射镜53和一个第二自由曲面反射镜54。在图8所示的实施例中，成像单元31的第一像元区域P1对应于偏转模块5的平面反射镜51，成像单元31的第二像元区域P2对应于第一自由曲面反射镜53，而成像单元31的第三像元区域P3对应于第二自由曲面反射镜54。

在此，从光源模块1投射出的照明光束经过第一像元区域P1形成带有第一像元区域P1的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射平面反射镜51，经平面反射镜51反射后在像面S1上成像。从光源模块1投射出的照明光束经过第二像元区域P2形成带有第二像元区域P2的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射第一自由曲面反射镜53，经第一自由曲面反射镜53反射后在像面S2上成像。从光源模块1投射出的照明光束经过第三像元区域P3形成带有第三像元区域P3的图像信息的成像光束，该成像光束经过投影镜头4入射第二自由曲面反射镜54，经第二自由曲面反射镜54反射后在像面S3上成像。

由于相似的工作过程和原理，前面结合图2至7所示的实施例做出的定义、说明以及描述的技术效果同样适用于图8至10所示的实施例。

如图8所示，第一自由曲面反射镜53的镜轴和平面反射镜51的镜轴之间存在夹角θ₁，第二自由曲面反射镜53的镜轴和平面反射镜51的镜轴之间存在夹角θ₂，通常夹角θ₁和θ₂在0度和45度之间。优选地，夹角θ₁和θ₂在0度和30度之间。

投影镜头4或者说镜头42在光轴上至偏转模块的反射镜的距离为H1，在此出于简化目的，忽略了不同反射镜到投影镜头4或者说镜头42的距离可能存在的偏差。平面反射镜51在光轴上到第一像面S1的距离为H2，第一自由曲面反射镜53在光轴上到第二像面S2的距离为H3，第二自由曲面反射镜54在光轴上到第三像面S3的距离为H10。投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离为H1+H2，其中平面反射镜51只改变光路转折方向，不改变光程。投影镜头4和第一自由曲面反射镜53的组合成像投影距离为H1+H3。投影镜头4和第二自由曲面反射镜54的组合成像投影距离为H1+H10，其中第一自由曲面反射镜53和第二自由曲面反射镜54既改变光路转折方向，也改变光程。

第一自由曲面反射镜53改变的光程差H4为投影镜头4和第一自由曲面反射镜53的组合成像投影距离H1+H3与投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离H1+H2之间的差值，即H4＝(H1+H3)-(H1+H2)＝H3-H2。第二自由曲面反射镜54改变的光程差H9为投影镜头4和第二自由曲面反射镜54的组合成像投影距离H1+H10与投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离H1+H2之间的差值，即H9＝(H1+H10)-(H1+H2)＝H10-H2。

根据本申请，光程差H4和H9都满足光程差|H4|和|H9|≤80mm，优选≤60mm，特别优选≤50mm，有利于获得优质和清晰的成像效果。同样，由于投影系统的多个像面可能在空间中处于不同相对位置关系的平面中，因此在图8中光程差H4和H9仅为一种简化的示意性表示。

图9是图8所示的投影系统的成像单元的示意图。在此，成像单元31具有三个像元区域，即第一像元区域P1、第二像元区域P2和第三像元区域P3。其中，第一像元区域P1为斜条纹图案的长方形，具有长度a和宽度b。第二像元区域P2为黑色点阵图案的长方形，第三像元区域P3为竖条纹图案的长方形。第一像元区域P1与第二像元区域P2的间距为H5，而第一像元区域P1与第三像元区域P3的间距为H7。

图10是图8所示的投影系统的投影画面的示意图，其中第一像面S1的图像对应成像单元31的第一像元区域P1的图像信息，具有长度A和宽度B。第二像面S2的图像对应成像单元31的第二像元区域P2的图像信息，第三像面S3上的图像对应成像单元31的第三像元区域P3的图像信息。与图4和图7类似，由于第一像面S1、第二像面S2和第三像面S3在三维空间中可能处于具有不同相对位置关系的平面中，为了方便比较和说明，在图10中将第一像面S1、第二像面S2和第三像面S3简化地并排表示在纸面上。

在此，光源模块1发出的照明光束入射到图像生成模块3的成像单元31，由成像单元31的第一像元区域P1生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到平面反射镜51的反射面上，经平面反射镜51反射后在第一像面S1上形成清晰图像。由成像单元31的第二像元区域P2生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到第一自由曲面反射镜53的反射面上，经第一自由曲面反射镜53反射后在第二像面S2上形成清晰图像。由成像单元31的第三像元区域P3生成的带有图像信息的成像光束经过投影镜头4入射到第二自由曲面反射镜54的反射面上，经第二自由曲面反射镜54反射后在第三像面S3上形成清晰图像。

同样，由于第一像面S1、第二像面S2和第三像面S3在三维空间中可能处于具有不同相对位置关系的平面中，在图10中，第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6以及第一像面S1的图像与第三像面S3的图像之间的间距H8仅为示意性表示。

在此实施例中，由成像单元31的第一像元区域P1和平面反射镜51构成第一投影子系统，由成像单元31的第二像元区域P2和第一自由曲面反射镜53构成第二投影子系统，由成像单元31的第三像元区域P3和第二自由曲面反射镜54构成第三投影子系统。其中，各个投影子系统共用其他光学元器件，例如光源模块和投影镜头等。

如图9所示，第一像元区域P1的图像信息为显示斜条纹图案的长方形，具有长度a和宽度b。对应地，如图10所示，像面S1的图像对应成像单元31的第一像元区域P1的图像信息，具有长度A和宽度B。因此，可计算得出投影镜头4的放大倍率β＝A/a＝B/b。

如果平面反射镜51与第一自由曲面反射镜53倾斜角度一致，即平面反射镜51的镜轴与第一自由曲面反射镜53的镜轴之间的夹角θ₁＝0，可以得出第一像元区域P1和第二像元区域P2之间的间距H5与第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6存在关系H6＝H5*β。同样，如果平面反射镜51与第二自由曲面反射镜54倾斜角度一致，即平面反射镜51的镜轴与第二自由曲面反射镜54的镜轴之间的夹角θ₂＝0，第一像元区域P1和第三像元区域P3之间的间距H7与第一像面S1的图像与第三像面S3的图像之间的间距H8存在关系H8＝H7*β。

如果平面反射镜51与第一自由曲面反射镜53倾斜角度不一致，即当平面反射镜51的镜轴与第一自由曲面反射镜53的镜轴之间的夹角θ₁>0，则可以得出：

H6＝H5*β+H3*tanθ₁。

同样，如果平面反射镜51与第二自由曲面反射镜54倾斜角度不一致，即当平面反射镜51的镜轴与第二自由曲面反射镜54的镜轴之间的夹角θ₂>0，则可以得出：

H8＝H7*β+H10*tanθ₂。

因此，通过调整平面反射镜51的镜轴与第一自由曲面反射镜53的镜轴之间的夹角θ₁可以改变第一像面S1的图像和第二像面S2的图像之间的间距H6。通过调整平面反射镜51的镜轴与第二自由曲面反射镜54的镜轴之间的夹角θ₂，可以改变第一像面S1的图像与第三像面S3的图像之间的间距H8。

此外，尤其是通过改变第一自由曲面反射镜53的面型可以改变对应的第二投影子系统的投影距离H1+H3，进而改变投影镜头4和第一自由曲面反射镜53的组合成像投影距离H1+H3与投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离H1+H2之间的光程差H4。类似地，通过改变第二自由曲面反射镜54的面型可以改变对应的第三投影子系统的投影距离H1+H10，进而改变投影镜头4和第二自由曲面反射镜54的组合成像投影距离H1+H10与投影镜头4和平面反射镜51的组合成像投影距离H1+H2之间的光程差H9。由此，本申请提出的一个投影系统就能够实现同时投射多个投影画面的功能，并获得丰富多样的投影效果。

自由曲面反射镜的面型可以通过自由曲面反射镜的表面方程进行调整。自由曲面反射镜表面方程如下：

其中，x、y、z为表面的坐标值，C为曲率半径，k为圆锥系数，α_i为第i项的系数，z0为表面坐标为(0，0)时的常数。通过对反射镜的自由曲面方程的参数的调节，可以调整自由曲面反射镜的面型，从而实现投影子系统的不同投影距离，以及调整不同成像光束之间的光程差。

显然，偏转模块的反射镜不限于前面作为示例的数量以及类型组合，尤其是可以包括更多数量的反射镜，例如四个、五个、六个等等。通过合理选择偏转模块的反射镜的类型和面型，投影镜头4与偏转模块的每个反射镜都形成了一个独特的投影子系统，其与成像单元的多个像元区域彼此配合，实现本发明提出的投影系统，其能够灵活多变地在不同投影方向和/或投影距离上同时投射出多个图像。

本申请提出的投影系统特别适用于车辆，例如安装在车辆中，用作车载导航投影系统、人机交互投影系统等。投影系统的带有图像信息的成像光束可以投射至所述汽车的挡风玻璃、车窗玻璃、行车道、车辆外部环境或者其他成像屏幕处，使得在汽车行进过程中乘客或者驾驶员可以看到处于不同像面的多个图像。此外，可以通过外部控制系统可以同时控制多个图像信息、设定相应的交互功能、图像显示形式等等，使得投影系统在实际使用中有更加多样和灵活的成像效果以及优良的用户体验。

本申请还提出一种使用如前所述的投影系统实现的投影方法，包括以下步骤：

控制光源模块1产生并发出照明光束；

引导光源模块1发出的照明光束经过图像生成模块3的成像单元的多个像元区域，从而使所述多个像元区域分别生成带有图像信息的成像光束；

引导所述带有图像信息的成像光束经过偏转模块5，从而将所述多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束偏转到不同的投射方向和/或投射到不同的投射距离。

在此，可以在偏转模块5中使用反射镜，用于偏转成像光束。也就是说，通过偏转模块的反射镜使所述多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束反射到不同的投射方向。尤其是，可以在偏转模块5中使用至少一个自由曲面反射镜，例如使用一个平面反射镜和一个自由曲面反射镜的组合，或者仅仅使用自由曲面反射镜，例如至少两个自由曲面反射镜，用于通过反射作用实现偏转不同的成像光束。因此，多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束通过偏转模块的至少一个自由曲面反射镜进行反射。

在提出的投影方法中，给图像生成模块3的所述多个像元区域在偏转模块中分别配有对应的反射镜，由此偏转模块的反射镜使成像光束分别在不同的投影距离和/或投影方向上偏转和成像。尤其是，可以使图像生成模块3的所述多个像元区域与偏转模块的反射镜一一对应。

在提出的投影方法中，通过调整偏转模块5的各个反射镜的镜轴之间的夹角，例如平面反射镜的镜轴和自由曲面反射镜的镜轴之间的夹角，改变经对应反射镜反射的成像光束的像面之间的间距。通过选择自由曲面反射镜的面型，改变经自由曲面反射镜反射后的成像光束的投影距离。通过选择自由曲面反射镜的面型，调整不同成像光束之间的光程差。通过调节自由曲面反射镜的自由曲面方程的参数，改变自由曲面反射镜的面型。

通过使用本申请的投影方法，可以使用仅一个投影系统，实现在空间中的不同投影方向和/或不同投影距离投射出多个画面，并根据需要可对像面间的相对位置进行调整。本申请提出的投影系统具有系统结构简单、易于操作、体积小、功耗小等优点，具有广泛的应用场景。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种投影系统，其特征在于，所述投影系统包括：

光源模块，所述光源模块用于产生并发出照明光束；

图像生成模块，所述图像生成模块包括设置在所述光源模块的出光侧并具有多个像元区域的成像单元，其中所述多个像元区域设置用于接收所述光源模块发出的照明光束并分别生成带有图像信息的成像光束；和

偏转模块，所述偏转模块设置在所述图像生成模块的出光侧，用于将由所述成像单元的所述多个像元区域分别生成的带有图像信息的成像光束投射到不同的投射距离。

2.根据权利要求1所述的投影系统，其特征在于，所述偏转模块包括至少两个反射镜。

3.根据权利要求2所述的投影系统，其特征在于，所述图像生成模块的所述多个像元区域分别配有对应的反射镜。

4.根据权利要求3所述的投影系统，其特征在于，所述投影系统还包括投影镜头，所述投影镜头设置在所述图像生成模块的成像单元的出光侧，用于将由所述成像单元生成的带有图像信息的成像光束投射到所述偏转模块上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的投影系统，其特征在于，所述偏转模块包括至少一个平面反射镜和/或至少一个自由曲面反射镜。

6.根据权利要求5所述的投影系统，其特征在于，所述偏转模块包括一个平面反射镜和一个自由曲面反射镜。

7.根据权利要求6所述的投影系统，其特征在于，所述平面反射镜的镜轴和所述自由曲面反射镜的镜轴之间具有夹角，且所述夹角在0至45度范围内。

8.根据权利要求6所述的投影系统，其特征在于，所述投影镜头和平面反射镜构成第一投影子系统，并且所述投影镜头和自由曲面反射镜构成第二投影子系统，其中第一投影子系统和第二投影子系统具有不同的投影方向和/或成像距离。

9.根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于，通过所述投影镜头和平面反射镜构成的第一投影子系统的成像光束与通过所述投影镜头和自由曲面反射镜构成的第二投影子系统的成像光束之间的光程差H4满足|H4|≤80mm。

10.根据权利要求8所述的投影系统，其特征在于，所述投影镜头和平面反射镜构成的第一投影子系统的焦距F1与所述投影镜头和自由曲面反射镜构成的第二投影子系统的的焦距F2满足0.5≤|F1/F2|≤1.3。

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